Skalierbare Stempeldruck und Fertigung von Hemiwicking Oberflächen
Summary
Ein einfaches Protokoll ist für die Herstellung von Hemiwicking Strukturen unterschiedlicher Größen, Formen und Materialien zur Verfügung gestellt. Das Protokoll verwendet eine Kombination von physischen Stanzen, PDMS Guß und Dünnschicht-Oberflächenmodifikationen über gängige Materialien Ablagerung Techniken.
Abstract
Hemiwicking ist ein Prozess, wo eine Flüssigkeit eine gemusterte Oberfläche außerhalb seiner normalen Benetzung Länge durch eine Kombination von Kapillarwirkung und Imbibition benetzt. Dieses Phänomen der Benetzung ist in vielen technischen Bereichen von Physiologie bis hin zu Luftfahrttechnik wichtig. Derzeit gibt es verschiedene Techniken zur Herstellung von Hemiwicking Strukturen. Diese konventionellen Methoden, jedoch sind oft zeitaufwändig und sind schwer zu skalieren für große Flächen oder schwer für spezifische, Grundstimmung Musterung Geometrien anpassen. Die vorgestellte Protokoll sieht Forscher mit einer einfachen, skalierbare und kostengünstige Methode zur Herstellung von Mikro-gemusterte Hemiwicking Oberflächen. Die Methode fertigt Feuchtigkeitstransport Strukturen durch den Einsatz von Stempeldruck, Polydimethylsiloxan (PDMS) Formen und Dünnschicht-Oberflächenbeschichtungen. Das Protokoll wird für Hemiwicking mit Ethanol auf PDMS-Micropillar-Arrays mit einer 70 nm dicken Aluminium Dünnschicht-beschichtet demonstriert.
Introduction
Vor kurzem gab es erhöhte Interesse an in der Lage, sowohl aktiv als auch passiv die Benetzung, Verdunstung, Steuern und Mischen von Flüssigkeiten. Einzigartig texturierte Hemiwicking Flächen sorgen für eine neuartige Lösung zur Kühlung Techniken, weil diese strukturierten Oberflächen als Flüssigkeit (und/oder Wärme) Pumpe ohne bewegte Teile handeln. Diese flüssigen Bewegung wird durch eine Kaskade der Kapillarwirkung Ereignisse im Zusammenhang mit der dynamischen Krümmung des flüssigen Dünnschicht angetrieben. Im Allgemeinen wenn eine Flüssigkeit mit eine feste Oberfläche benetzt, bildet eine geschwungene flüssige Dünnschicht-(z. B. flüssige Meniskus) schnell. Die flüssige Stärke und Krümmung Profil entwickeln bis ein freie-Energie-Minimum erreicht ist. Als Referenz kann dieses dynamischen Benetzung Profil bis zu zehn Nanometern Dicke innerhalb einer spanning (Flüssigkeit-Benetzung) Längenskala von nur zehn Mikrometer schnell zerfallen. Somit kann dieser Übergangsbereich (Flüssigkeit-Film) wesentliche Änderungen in der Flüssigkeit-Schnittstelle Krümmung unterziehen. Die Übergangsregion (Dünnschicht) ist, wo fast alle dynamische Physik und Chemie stammt. Insbesondere ist der Übergangsbereich (Dünnschicht), wo maximale Verdunstungsraten (1), (2) DIS-Beitritt Druckgradienten und (3) hydrostatischen Druckgradienten1,2gefunden werden. Infolgedessen, spielen gebogene Flüssigkeit-Filme eine entscheidende Rolle im Wärmetransport, Phasentrennung Fluid Instabilitäten und die Vermischung von Mehrkomponenten Flüssigkeiten. Beispielsweise sind in Bezug auf die Wärmeübertragung, die höchste Wand Wärmestromes in dieser stark gekrümmten, Übergangs-Dünnschicht-Region3,4,5,6,7beobachtet worden.
Hemiwicking Studien haben gezeigt, dass die Geometrie (z. B. Höhe, Durchmesser, etc.) und die Platzierung der Säulen der Benetzung Frontprofil und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Strukturen8bestimmen. Als Flüssigkeit vorne am Ende der letzten Struktur in einem Array verdunstet ist, wird Flüssigkeit vorne in einem konstanten Abstand und Krümmung, die verdampfte Flüssigkeit durch die Flüssigkeit in den Feuchtigkeitstransport Strukturen9gespeicherten abgelöst wird aufrechterhalten. Hemiwicking Strukturen wurden auch benutzt in Heatpipes und kochende Oberflächen zu analysieren und zu verbessern verschiedene Wärme Übertragung Mechanismen. 10 , 11 , 12.
Eine Methode, die derzeit zur Feuchtigkeitsregulierung Strukturen zu schaffen, ist thermische Imprint Lithografie13. Diese Methode erfolgt durch das gewünschte Layout in eine Lackschicht auf eine Silizium-Schimmel-Probe mit einem thermoplastischen Polymer Stempel Stempeln, dann entfernen den Stempel um die Mikrostrukturen zu erhalten. Einmal entfernt, ist die Probe durch eine reaktive Ionen Ätzprozess um überschüssige Resist Schicht14,15entfernen gestellt. Dieser Prozess jedoch kann empfindlich auf die Temperatur der Fabrikation der Feuchtigkeitstransport Strukturen und umfasst mehrere Schritte, die verschiedenen Schichten um die Richtigkeit der Feuchtigkeitstransport Strukturen16nutzen. Es ist auch der Fall, die Lithografie Techniken nicht praktisch für Makro-Maßstab Musterung; während sie immer noch eine Möglichkeit zur Erstellung einer Anordnung von Mikrostrukturen auf einer Oberfläche bieten, ist der Durchsatz dieses Verfahrens weit weniger als ideal für großflächige Reproduktion. In Anbetracht der groß angelegte, reproduzierbare Texturierung, z. B. Spin oder Dip Beschichtung, fehlt eine inhärente steuerbare Musterung. Diese Methoden erstellen Sie eine zufällige Auswahl von Mikrostrukturen auf der Zielfläche aber können skaliert werden, um weitaus größere Gebiete als traditionelle Lithographie Techniken17abzudecken.
Das Protokoll in diesem Bericht beschriebenen Versuche, die Stärken der traditionellen Texturierung Methoden kombinieren und ersparen sich gleichzeitig die spezifischen Schwächen des einzelnen; Es definiert eine Möglichkeit, benutzerdefinierte Hemiwicking Strukturen der verschiedenen Höhen, Formen, Orientierungen und Materialien auf Makro-Ebene und mit potenziell hohem Durchsatz zu fabrizieren. Verschiedene Feuchtigkeitstransport Muster können zum Zwecke der Optimierung der Feuchtigkeitstransport Merkmale, z. B. Richtungssteuerung Fluidgeschwindigkeit, Ausbreitung und Mischen verschiedener Flüssigkeiten schnell erstellt werden. Die Verwendung von unterschiedlichen Feuchtigkeitstransport Strukturen bieten auch unterschiedliche Dünnschicht-Stärke und Krümmung, die verwendet werden können, um systematisch die Kopplung zwischen Wärme- und Stoffaustausch mit unterschiedlicher Dicke zu studieren und Krümmung Profile der Flüssigkeit Meniskus.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eine Methode wurde eingeführt, um gemusterte Säule Arrays für Hemiwicking Strukturen zu schaffen; Dies geschieht durch Prägung Hohlräume auf einem Kunststoff-Wafer mit einer Gravur-Vorrichtung, die Strukturierung von einer Bitmap, die vom Benutzer erstellten folgt. Eine PDMS-Mischung ist dann gegossen, geheilt und mit einem dünnen Film von Aluminium über Abscheidung beschichtet. Die Säule-Array-Eigenschaften können je nach den Grauwert angepasst werden, die in der Bitmap nach diesem Protokoll zugewiesen…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieses Material basiert auf Forschung teilweise gesponsert von der United States Office of Naval Research Grant No. N00014-15-1-2481 und die National Science Foundation unter Grant Nr. 1653396. Ansichten und Schlussfolgerungen enthaltenen sind diejenigen der Autoren und nicht notwendigerweise repräsentiert die offizielle Politik oder Vermerke, entweder ausdrücklich oder stillschweigend, des U.S. Office of Naval Research, der National Science Foundation, interpretiert werden oder die Regierung der Vereinigten Staaten.
Materials
| NI-DAQ 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | The communication interface between the camera and the control switch for the laser. |
| Control Switch | Crouzet | GN84134750 | A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ. |
| Flea Camera | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold. |
| Flea Imaging Camera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | A flea camera used for obtaining the side images of the pillars. |
| 200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2) | AdaFruit | 324 | The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill. |
| 10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective | Mitutoyo | #46-144 | The objective used to get the image of the side of the pillars. |
| 15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective | TechSpec | #58-417 | The objective used to get the image of the top of the pillars. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill | Harvey Tools | 72002 | The drill bit that was used to create holes in the plastic mold. |
| DC Power Delivery at 1 kW | Advanced Energy | MDX-1K | Used to power the deposition sputterer. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump | Varian | 9699336 | Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber. |
| 2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser | WDLasers | KREE | Sample Heating Laser |
| 5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS Dessicator |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | The PDMS Kit used to make the base. |
| Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump | Gast | DOL-701-AA | Dessicator Vacuum Pump |
| Motorized Linear Stages (2x) | Standa | 8MT175 | The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction. |
| 2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars. |
| Flea 3 Mono Camera, 2448 X 2048 Pixels | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | A flea camera used for imiaging the top of the pillars. |
| Digital Vacuum Transducer | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Used for monitoring pressure inside deposition chamber. |
| Pressurized Argon Tank Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gas used in deposition process. |
| 1-D Translation Stage | Newport Corporation | TSX-1D | A translation stage used to move the camera to focus on the end mill. |
| Cylindrical Laser Mount (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill. |
| Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | A chiller used for the deposition assembly. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase | Ideal Vacuum Products | 210SDMLAM-XP | A vacuum pump used for the deposition assembly. |
| Fan, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly. |
References
- Plawsky, J. L., et al. Nano- and Micro-structures for Thin Film Evaporation – A Review. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 18, 251-269 (2014).
- Derjaguin, B. V., Churaev, N. V. On the question of determining the concept of disjoining pressure and its role in the equilibrium and flow of thin films. Journal of Colloid and Interface Science. 66, 389 (1978).
- Ma, H. B., Cheng, P., Borgmeyer, B., Wang, Y. X. Fluid flow and heat transfer in the evaporating thin film region. Microfluidics and Nanofluidics. 4 (3), 237-243 (2008).
- Hohmann, C., Stephan, P. Microscale temperature measurement at an evaporating liquid meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 26 (2-4), 157-162 (2002).
- Potask, M., Wayner, P. C. Evaporation from a two-dimensional extended meniscus. International Journal of Heat Mass Transfer. 15 (10), 1851-1863 (1972).
- Panchamgam, S. S., Plawsky, J. L., Wayner, P. C. Microscale heat transfer in an evaporating moving extended meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (8), 745-754 (2006).
- Arends, A. A., Germain, T. M., Owens, J. F., Putnam, S. A. Simultaneous Reflectometry and Interferometry for Measuring Thin-film Thickness and Curvature. Review of Scientific Instruments. 89 (5), (2018).
- Zhu, Y., Antao, D. S., Lu, Z., Somasundaram, S., Zhang, T., Wang, E. N. Prediction and characterization of dry out heat flux in micropillar wick structures. Langmuir. 32 (7), 1920-1927 (2016).
- Kim, J., Moon, M. W., Kim, H. Y. Dynamics of hemiwicking. Journal of Fluid Mechanics. 800, 57-71 (2016).
- Ding, C., Soni, G., Bozorgi, P., Meinhart, C. D., MacDonald, N. C. Wicking Study of Nanostructured Titania Surfaces for Flat Heat Pipes. Nanotech Conference & Expo. , (2009).
- Chen, R., Lu, M. C., Srinivasan, V., Wang, Z., Cho, H. H., Majumdar, A. Nanowires for Enhanced Boiling Heat Transfer. Nano Letters. 9 (2), 548-553 (2009).
- Kim, B. S., Choi, G., Shim, D., Kim, K. M., Cho, H. H. Surface roughening for hemi-wicking and its impact on convective boiling heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer. 102, 1100-1107 (2016).
- Mikkelsen, M. B., et al. Controlled deposition of sol-gel sensor material using hemiwicking. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (11), (2011).
- Haatainen, T., Ahopelto, J. Pattern Transfer using Step&Stamp Imprint Lithography. Physica Scripta. 67 (4), 357-360 (2003).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 14 (6), 4129 (1996).
- Pozzato, A., et al. Superhydrophobic surfaces fabricated by nanoprint lithography. Microelectronic Engineering. 83 (4-9), 884-888 (2006).
- Nair, R. P., Zou, M. Surface-nano-texturing by aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. Surface and Coatings Technology. 203 (5-7), 675-679 (2008).
- Ashby, P. D., Lieber, C. M. Ultra-sensitive Imaging and Interfacial Analysis of Patterned Hydrophilic SAM Surfaces Using Energy Dissipation Chemical Force Microscopy. Journal of the American Chemical Society. 127 (18), 6814-6818 (2005).
